美国无刷直流电动机市场和技术发展动向
胡鸿祥 (上海南洋电机厂)
【摘 要】本文从市场需求、应用领域、运动控制技术及电机的特点出发，指出近年来无刷直流电动机销售量的增长速度很快，在运动控制技术领域占有较大的比例。无刷直流电动机在工厂自动化设备中应用广泛，可望取代有刷直流电动机，并向着高速，高性能、低成本的方向发展。
1 概述
与有刷直流电动机相比，无刷直流电动机具有体积小、重量轻、效率高，性能好、使用寿命长和维护少的优点。据美国MTT预测公司的用户研究报告——《直流无刷运动技术》(1986年～1991年)的分析和预测，在世界范围内，各种运动控制技术正在不断发展，许多公司都投入这一技术领域，因此，通过竞争使无刷直流电机技术得到了充分展示。1986年美国各种控制电机及配套装置的市场销售额约为17亿美元，到1991年将达到3l亿美元，年增长率为13.7％，其中电机的销售额1986年占67.8％，从1986年～1991年整个时期看，电机销售额在逐年递增，这是因为配套装置更多地采用了半导体元件，使平均成本降低，而磁钢及其它电机材料费用则在总体上不断增加。
2 市场的需求
据统计，1986年在美国市场所有的控制电机中，有刷直流伺服电机占有58％的市场份额，无刷直流电机仅占15.1％，但由于对传动产品的需求不断增加，而电子设备的成本又在不断降低，给有刷直流伺服电机销售带来一定影响，1991年它的市场份额将降低至41.5％。从广义上来看无刷技术(即把步进电机和交流调速电机都包括在其中)在1991年将占到整个市场份额的58％以上。表1为美国控制电机和配套装置的市场消费量。
MTT研究报告指出，就1986年美国市场无刷直流电机本身而言，销售量为5.6百万台，1.77亿美元，在全部电机中占16％；1991年无刷直流电机的消费量可望达到26.5百万台，6.3亿美元。在全部控制电机中，无刷直流电机1986年占7％，1991年将占16％，增长速度最快。表2列出了美国市场的无刷直流电机在各应用领域所占的份额。
从表中可知，无刷直流电机将在各个运动控制市场占有较大的份额。①办公自动化(计算机，商务设备)方面，无刷直流电机增长幅度****，但所占份额较大；②工厂自动化方面，无刷直流电机采用具有主轴和位置功能的新设计；同时，无刷直流电机也正在进入大功率领域，如液力运动系统；③国防和航天方面，无刷直流电机要求体积更小，重量更轻，效率更高和适用性更强；④汽车和家电产品方面增长最快，主要用于增加各种使用和方便功能(如一辆普通汽车中已需25台辅助电机；****汽车中达70台辅助电机)，无刷直流电机在这一应用领域将起到重要的替代作用。
在拥有无刷直流电机技术的企业中，没有一家公司的销售量超过美国市场的1O％，或者在任何一个应用领域占有统治地位。销售量****的有20家公司占据市场销量的63％。其中，FANUC USA公司在工厂自动化领域，Nidec公司在办公自动化领域，Papst公司在仪器设备领域和Kollmorgen公司在国防和航天领域为最主要的生产厂商。
3 应用场合和发展动向
当前，对运动控制起到推动作用的三种最为显著的技术是电子换向、稀土永磁材料和计算机接口。
目前有刷直流电机技术仍然是最重要的伺服类型，但是无刷直流电机正在日益显示出重要性。据报道，步进电机为高精度运动控制提供了******的方法。无刷直流电机与有刷直流伺服电机的不同之处在于，它无需维修、运行速度更高、并且没有换向限制。因此，应用范围逐步扩大，使市场需求量有很大增加。由于电气伺服机构的用途增加，用户希望通过对伺服技术的选择，大大改善设备和系统的性能，从而对伺服技术的选择就变得更为苛刻。鉴于这一原因，伺服电机制造厂急于发展能满足用户各种要求的技术。伺服系统及其主要用途如附图所示。
无刷直流电机在各种工厂自动化设备中 应用广泛，在要求高转速或要求伺服机构作为设备和系统的一个运动部件的许多领域中已成为必不可少的产品。在不少应用场合，它可望取代有刷直流伺服电机。但是，由于直流伺服电机生产成本低、控制能力及其它特性良好，仍将继续保持需求。事实上，无刷直流电机也有其自身不足，包括造价高，难以微型化的复杂控制等。在某些情况下，这些缺点已成为无刷直流电机的发展障碍。目前，电子技术、控制技术和大规模生产技术正在逐步解决这些生产发展技术问题，因此，无刷直流电机的性能和功能可望进一步得到提高。从最近投入市场的产品可以看到，一些制造厂商正在致力于开发高速、高性能的通用型无刷直流电机，并提供****值编码器和防爆型电机，以扩大产品品种。有关无刷直流电机和有刷直流伺服电机各种技术性能比较见表3。
4 结语
无刷直流电机通常用于对一个机构进行加速或减速。为了做到迅速地加速和减速，需要有一个较大的转矩。在无刷直流电机中，其着重点在于控制特性和效率。作为控制电机，直流伺服电机工作特性好，而得以广泛应用。但电刷和整流子构成的机械整流装置是它的主要缺点，这种整流装置使直流伺服电机在使用中需要经常进行维修检查。另外它的性能和使用寿命都有一定的限制。无刷直流电机配上伺服驱动装置后，可实现高速、高功率驱动，且无换向限制。
近年来，伺服技术在数控机床，工业机器人和半导体生产设备中获得了广泛的应用。伺服电机、步进电机、速度控制电机等都可作为控制电机使用，然而由于伺服电机对速度、位置和其它指令的快速精确响应性能，令其它电机无可比拟。同时，伺服电机驱动装置技术正变得日趋成熟。依靠伺服驱动装置就可通过多相交流电进行驱动，通过变压变频使得电机运行在****效率。随着伺服驱动技术的发展，电机输出与输人成线性关系的控制技术将不断得到改进。
目前，无刷伺服系统正在通过新的设计逐渐缩小与有刷伺服系统的价格差异；无容置疑，有刷型系统仍然具有明显的价格优势。但是在连续转矩为60～100ib·in的范围内，无刷系统在价格上同有刷型系统最有竞争能力。它从高可靠性和无需维修方面获得的节省额能抵消控制线路所需的费用，而且由于具有转子惯量小、动态性能好、运行平稳、温升低，适于连续运行等特点，使用户在选用中获益。无刷直流电机是随着电机控制技术和电子技术的发展而出现的。近年来，无刷直流电机技术虽然发展较快，可是根据分析和研究，今后数年仍不会在所有控制电机中成为最占优势的电机技术。它的系统价格／性能比使之保持较强的竞争能力，可以预料，有刷直流伺服电机及其它电机将与其继续进行互相竞争。尽管无刷直流电机提供了许多一流技术，但不能因此而认为它在所有应用领域都是****的选择。
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